Устройство для образования скважин в грунте Советский патент 1993 года по МПК E02F5/16 

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к устройствам для образования скважин в грунте и может быть использовано при прокладке подземных коммуникаций под препятствиями бестраншейным способом, а также при образовании выработок при возведении котлованов для шпунтовых стенок, свай, анкеров, обсадных труб и других строительных элементов. -..-.

Известно устройство для образования скважин в грунте, включающее установленный на валу породоразрушающий инструмент, приводы вращения и подачи, связанные с валом, механизм уплотнения

грунта в виде вибратора и корпус, в котором расположен вал с эксцентрично закрепленными на нем кулачками.

При вращении вала породоразрушающий инструмент взаимодействует с забоем, формируя пионерную скважину, а разбуренный грунт ссыпается на дно скважины и уплотняется вибратором. Однако известное устройство обладает сравнительно высокой энергоемкостью процесса образования скважины, поскольку образование последней происходит за счет предварительного механического разрушения породы инструментом. Кроме того, относительно сложная кинематическая схема привода породораз ч|

О СЛ О

о VI

рушающих инструментов и вибратора снижает надежность работы устройства, а компановка исполнительных органов известного устройства не позволяет обеспечить его работу при образовании вертикально расположенных скважин.

Наиболее близким по технической сущности и по достигаемому результату является устройство для образования скважины в грунте, включающее штангу, полый корпус конической формы, в котором размещен вибратор с дебалансами и приводом, и камеры во внутренней полости корпуса для размещения дебалансов.

Недостатком известного устройства является то, что при образовании скважины одновременно включены в работу и привод вибратора, и штанга, передающая вращающий момент .и осевое усилие на корпус устройства, что увеличивает энергоемкость процесса образования скважины; так как при прохождении устройством прослоек из дисперсного грунта не требуется включения в работу вибратора. Вибратор может быть включен принудительное поверхности, ной в этом случае энергоемкость процесса увеличивается, поскольку с поверхности невозможно определить момент прохождения корпусом, устройства прослоек с твердыми включениями. Следовательно, запаздывание с включением в работу вибратора приведет к непроизводительной трате энергии на привод штанги. Кроме того, подвод энергии к приводу вибратора, расположенному во вращающемся корпусе, требует применения специальных токосъемников, что снизит эксплуатационную надежность работы устройства,

Цель изобретения заключается в снижении энергоемкости процесса образования скважины в неоднородных грунтах за счет автоматизации включения вибратора при возрастании сопротивления грунта внедрению корпуса устройства при одновременном повышении надежности его работы.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для образования скважины в грунте, включающем расположенную по продольной оси устройства штангу для передачи вращающего момента и осевого усилия, соединенный ей штангой полый корпус конической формы и размещенный во внутренней полости корпуса и закрепленный на расположенном по продольной оси устройства валу дебаланс, имеется расположенный во внутренней полости корпуса гидравлический насос со всасывающим и Нагнетательным патрубками и установленный в нагнетательном патрубке нагрузочный гидроаппарат, при этом корпус

выполнен с отверстием для прохода штанги, а штанга расположена во внутренней поло- сти корпуса и кинематически связана с валом дебаланса, который кинематически

связан с валом гидравлического насоса, причем корпус гидравлического насоса жестко соединен с корпусом устройства, а выход нагнетательного патрубка гидравлически сообщен с входом всасывающего патрубка. Кроме того, тем, что нагрузочный гидроаппарат выполнен в виде напорного золотника. Кроме того, тем, что кинематическая связь штанги с валом дебаланса выполнена в виде планетарной зубча5 той передачи, при этом одно из ее центральных колес закреплено на корпусе устройства, а второе ее центральное колесо кинематически связано с валом дебаланса, причем водило планетарной зубчатой пере0 дачи соединено со штангой. Кроме того, тем что кинематическая связь центрального колеса планетарной зубчатой передачи с валом дебаланса .выполнена в виде дополнительной планетарной зубчатой пе5 редачи, при этом одно из ее центральных колес закреплено на корпусе устройства, а ее другое центральное колесо закреплено на валу дебаланса, причем водило дополнительной планетарной зубчатой передачи

0 жестко соединено со вторым центральным колесом основной планетарной передачи. Кроме того, тем, что кинематическая связь вала дебаланса с валом гидравлического насоса выполнена в виде сцепной муфты. Кро5 ме того, тем, что сцепная муфта выполнена в виде зубчатой муфты. Кроме того, тем, что корпус устройства имеет расположенный в его внутренней полости бак для размещения рабочей жидкости, при этом вход всасы

0 вающего патрубка расположен во внутренней полости бака. Кроме того, тем, что корпус устройства выполнен с внутренней перегородкой, которая образует с внутренними стенками корпуса устройства бак

5 для рабочей жидкости, при этом корпус гидравлического насоса закреплен на перегородке.

На. фиг. 1 изображено устройство для образования скважины в грунте;-на фиг, 2 0 гидравлическая схема устройства.

Устройство для образования скважины в грунте содержит штангу 1 для передачи вращающего момента и осевого усилия на корпус 2. В качестве механизма для переда5 чи вращающего момента и осевого усилия на штангу 1 может быть использован, например, буровой станок (на чертеже не показан), который устанавливают на поверхности при образовании вертикальных скважин или в предварительно откры-;

том рабочем котловане при образовании горизонтальных скважин. Корпус 2 выполнен полым и имеет коническую форму. Наружная поверхность корпуса 2 может быть выполнена со спиралевидными режущими выступами (на чертеже не показаны) и с центрирующим наконечником на его носовой части для размещения в лидерной сква- жине (на чертеже не показан). Во внутренней полости корпуса 2 установлен на валу 3 с возможностью вращения деба- ланс 4. Корпус 2 выполнен с отверстием 5 для прохода штанги 1, в котором может быть установлено уплотнительное приспособление (на чертеже не показано) для герметизации внутренней полости 2. Вал 3 дебаланса 4 установлен на подшипниках 6. Штанга 1 расположена во внутренней полости корпуса 2 и кинематически связана с валом 3 дебаланса 4. Вал 3 дебаланса 4 кинематически связан с валом 7 гидравлического насоса 8. Корпус гидравлического насоса 8 жестко соединен с корпусом 2 устройства. В нагнетательном патрубке 9 гидравлического насоса 8 установлен нагрузочный гидроаппарат 10, который может быть выполнен в виде напорного золотника с линией управления 11 для перемещения его запорного элемента (не показан) и с регулируемой возвратной пру- жцной 12. Выход нагнетательного патрубка 9 гидравлически сообщен с входом всасывающего патрубка 13 гидравлического насоса 8. Целесообразно выполнение кинематической связи штанги 1 с валом 3 дебаланса 4 в виде основной планетарной зубчатой передачи, центральное колесо 14 которой жестко соединено с корпусом 2 и выполнено с внутренним зацеплением, а второе центральное колесо 15 которой кинематически связано с валом 3 дебаланса 4. Водило 16 основной планетарной зубчатой передачи закреплено на штанге 1 и на нем установлены с возможностью вращения сателлиты 17, которые находятся в зацеплении с центральными колесами 14 и 15. Кинематическая связь центрального колеса 15 основной планетарной зубчатой передачи с валом 3 дебаланса 4 может быть выполнена в виде дополнительной планетарной зубчатой передачи, одно из центральных колес 18 которой жестко соединено с корпусом 2 и выполнено с внутренним зацеплением, а другое центральное колесо 19 которой выполнено с наружным зацеплением и жестко соединено с валом 3 дебаланса 4. Водило 20 дополнительной планетарной зубчатой передачи жестко соединено с центральным колесом 15 основной планетарной зубчатой передачи. Сателлиты 21 дополнительной

планетарной зубчатой передачи установлены с возможностью вращения на водиле 20 и кинематически связывают между собой центральные колеса 18 и 19 дополнитель- 5 ной зубчатой передачи. Предпочтительно выполнение кинематической связи вала 3 дебаланса 4 с валом 7 гидравлического насоса 8 в виде сцепной муфты 2.2, которая может быть выполнена, например, в виде

0 зубчатой муфты, обеспечивающей крмпен- сацию погрешностей расположения осей ва- / лов 3 и 7. Во внутренней полости корпуса 2 может быть расположен бак 23. для размещения рабочей жидкости, в качестве кото5 рой может быть использовано, например, масло. При этом вход всасывающего патруб- ка 13 гидравлического насоса 8 расположен во внутренней полости бака 23 для размещения рабочей жидкости. В данном вариан0 те конструктивного устройства выход нагнетательного патрубка 9 гидравлически сообщен через бак 23 для размещения рабочей жидкости с входом всасывающего патрубка 13. В баке 23 для размещения ра5 бочей жидкости может быть размещено приспособление для охлаждения рабочей жидкости (не показано), выполненное, например, в виде теплообменного аппарата. Корпус 2 может быть выполнен с внутрен0 ней перегородкой 24, которая образует с внутренними стенками корпуса 2 бак 23 для размещения рабочей жидкости. В данном варианте выполнения устройства корпус гидравлического насоса 8 предпочтительно

5 закрепить на перегородке 24. Следует отметить, что при использовании устройства для образования горизонтальных скважин целесообразно выполнить -бак 23 для размещения рабочей жидкости в виде замкнутого

0 объема, внутренняя полость которого сообщена с всасывающим патрубком 13 и с нагнетательным патрубком 9. При использовании устройства для образования вертикальных скважин целесообразно вы5 полнить бак 23 для размещения рабочей жидкости в виде полости, образованной перегородкой 24 и внутренними стенками корпуса 2 (см. фиг. 1), а выход нагнетательного патрубка 9 может быть расположен в зоне расположения основной планетарной зубчатой передачи, В данном случае рабочая жидкость может быть использована для принудительной смазки подшипников и пе5 редач.

Устройство для образования скважины в грунте работает следующим образом. .

Предварительно соединяют штангу 1 с вращателем бурового станка и включают станок. При этом вращающий момент и осевое усилие передаются на корпус 2, который

под действием осевого усилия начинает внедряться в грунт. Одновременное вращение корпуса 2 вокруг его продольной оси симметрии обеспечивает ввинчивание устройства в грунт. Корпус 2, уплотняя грунт, образует скважину с уплотненными стенками, диаметр которой соответствует диаметру цилиндрической части корпуса 2. При этом вращающий момент от штанги 1 передаётся через водило 16, центральное колесо 15, водило 20 и центральное колесо 19 на вал 3 дебаланса 4. Поскольку вал 3 кинематически соединен с валом 7 гидравлического насоса 8, то будет создавать.стопорящий момент, обусловленный настройкой возвратной пружины 12 гидроаппарата 10, которая противодействует перемещению запорного элемента, то есть гидроаппарат

10 закрыт и препятствует выходу рабочей жидкости из нагнетательного патрубка 9 гидравлического насоса 8. Таким образом, при определенной величине настройки гидроаппарата 10 вал 7 гидравлического насоса 8 будет з аторможен. Следовательно, при вращении штанги 1 центральное колесо 19 будет неподвижно относительно корпуса 2, а передача вращения корпусу 2 будет происходить через водило 16 и сателлиты 17. При входе корпуса 2 в прослоек грунта с твердыми включениями, то есть при повышении момента сопротивления грунта ввинчиванию корпуса 2 в грунт, увеличивается величина крутящего момента на валу 7 гидравлического насоса 8. Соответственно возрастает и величина давления рабочей жидкости в нагнетательном патрубке 9 и в сообщенной с последним линии управления

11 гидроаппарата 10. Под действием давления рабочей жидкости запорный элемент преодолеет сопротивление возвратной пружины- 12 и откроет выход нагнетательного патрубка 9 на определенную величину. При этом вал 7 гидравлического насоса 8 начнет проворачиваться, поскольку рабочая жидкость будет засасываться из бака 23 и выходить через нагнетательный патрубок 9. При вращении вала 7 гидравлического насоса 8 начнет вращаться и кинематически .связанный с ним вал 3 с закрепленными на нем дебалансами 4. При этом корпус 2 и штанга 1 начнут вращаться с различными угловыми скоростями. При вращении дебаланса 4 вокруг продольной оси симметрии устройства

возникают колебания корпуса 2 в плоскости, перпендикулярной продольной оси симметрии устройства. Совместное воздействие указа иных колебаний корпуса 2 и осевого усилия на корпус 2 обеспечивают колебательное проскальзывание последнего по грунту и преодоление прослойки грунта с твердыми включениями. При этом твердые включения будут вдавливаться в

грунт боковой конической поверхностью корпуса 2. Кроме того, при прохождении корпусом 2 прослойки из несвязных грунтов колебания корпуса 2 уменьшают силы трения грунта по боковой поверхности корпуса

2. После прохождения, прослрйкитрунта и соответственно уменьшения момента сопротивления грунта ввинчиванию в него корпуса 2 давление в нагнетательном патрубке 9-падает и под действием возвратной

пружины 12 запорный элемент гидроаппарата 10 перекрывает проходное сечение нагнетательного патрубка 9, затормаживая тем самым вал 3 дебаланса 4. Таким образом, после прохождения устройством прослойки колебательный процесс автоматически прекращается. Следует отметить, что при полном перекрытии проходного сечения нагнетательного патрубка 9 гидравлического насоса 8 вал 3 дебаланса 4

будет полностью заторможен, а при полном открытии проходного сечения нагнетательного патрубка 9 гидравлического насоса 8, то есть при полном затормаживан ии корпуса 2 устройства о грунт, частота колебаний,

вызванных вращающимся дебалансом 4, достигнет максимальной величины.

Использование заявленного устройства по сравнению с существующими позволяет получить следующие преимущества:

1. Снижение энергоемкости процесса образования скважины в неоднородных грунтах за счет обеспечения возможности включения в процесс образования скважины вибрационных воздействий только по

мере необходимости, то есть в зависимости от свойств проходимого грунта.

2. Повышение эксплуатационной на- дежности устройства за счет исключения необходимости подвода энергии с поверхности для привода вибратора.

3. Снижение металлоемкости устройства за счет исключения привода для вращения дебаланса.

Сущность изобретения: устройство, содержит штангу, полый корпус конической формы, дебаланс с валом, гидравлический насос, нагрузочный аппарат. Со штангой соединен полый корпус конической формы. Во внутренней полости корпуса размещен дебаланс. Дебаланс закреплен на валу. Вал расположен по продольной оси устройства. Во внутренней полости корпуса расположен гидравлический нас бссо всасывающим и нагнетательным патрубками. В нагнетательном патрубке гидравлического насоса установлен нзгрузочны й аппарат, Нагрузочный аппарат выполнен в виде напорного золотника. Выход нагнетательного патрубка гидравлически сообщен с входом всасы- /ваю.щего патрубка гидравлического насоса. Корпус выполнен с отверстием для прохода штанги. Штанга расположена во внутренней полости корпуса и кинематически связана с валомдебаланса. Вал дебаланса кинематически связан с валом гидравлического насоса. Корпус гидравлического насоса жестко соединен с корпусом устройства. 7 з.п. ф-лы, 2 ил. СЛ с

Формула изобретения 1. Устройство для образования скважин в грунте, включающее расположенную по продольной оси устройства штангу для передачи вращающего момента и осевого усилия, соединенный со штангой полый корпус конической формы и закрепленный на расположенном по продольной оси устройства

валу дебаланс, который размещен во внутренней полости корпуса, отличающее- с я тем, что, с целью снижения энергоемкости процесса образования скважины в неоднородных грунтах за счет автоматизации включения вибратора при возрастании сопротивления грунта внедрению корпуса устройства при одновременном повышении надежности его работы, оно снабжено расположенным во внутренней полости корпуса гидравлическим насосом со всасывающим и нагнетательным патрубками и установленным в нагнетательном патрубке гидравлического насоса нагрузочным гидроаппаратом, при этом корпус выполнен с отверстием для прохода штанги, а штанга расположена во внутренней полости корпуса и кинематически связана с валом деба- ланса, который кинематически связан с валом гидравлического насоса, причем корпус гидравлического насоса жестко соединен с корпусом устройства, а выход- нагнетательного патрубка гидравлически сообщен с входом всасывающего патрубка гидравлического насоса.

планетарной зубчатой передачи соединено со штангой.; . .

8. Устройство поп. 7, отличающее- с я тем, что корпус выполнен с внутренней перегородкой, которая образует с внутренними стенками корпуса устройства бак для размещения рабочей жидкости, при этом корпус гидравлического насоса закреплен на перегородке.